XILINX中DDR3 IP核的使用

前言

最近一直在查找关于DDR3的资料，网上也有很多介绍，这篇主要是记录我的学习过程，以防后期遗忘。本篇主要是针对如何运用XILINX的MIG核，因个人能力有限，对DDR3的硬件外围电路和原理只是大概的一个认知，如有错误还望指正。

确定芯片的速率和位宽

例如：

DDR3芯片为型号为：MT41K256M16XX-125

FPGA型号为：XC7K325TFFG900-2

1、下图为镁光的DDR3数据手册，主要解释DDR3的数据位宽、容量大小和速度等级

256M16：其中16代表芯片位宽，芯片总的容量为：256M字节*16bit=512M字节

2、查看FPGA中支持DDR3的最大数据速率为1866Mb/s，大多时候都是1600Mb/s。因为DDR3是双边沿采样，所以对应频率为1600/2=800Mhz

3、带宽

DDR3速率是800MHz，因为上下边沿采样，所以速率是2*800=1600MT/S,速率就是1600Mbit/s，因为DDR3是16bit,所以总的带宽为16*1600Mbit/s=3.125GByte/s

IP核的一些关键时钟配置

1、

上图中1是由输入的system clock通过MIG中的PLL倍频得到的，通过端口

.ddr3_ck_n (ddr3_ck_n),

.ddr3_ck_p (ddr3_ck_p),

输出给DDR3芯片，这个时钟是DDR3接口的实际速率400MHz。

上图中2是用户时钟的接口，显示的比利4:1也就是实际接口的速率的1/4,100MHz；

.ui_clk (ddr_ui_clk),

上图中3是DDR3中型号的选择，位宽的选择和电压选择。

输入管脚时钟配置

图中1的位置是选择输入时钟，是根据实际的硬件选择的。

对应端口为，选择的是差分输入

.sys_clk_p (sys_clk_p),

.sys_clk_n (sys_clk_n),

图中2的位置是选择突发类型选择，一般选择顺序突发

输入时钟和参考时钟的类型选择

图中1的位置选择系统时钟的类型，根据实际电路选择，这里选择差分时钟，

图中2是选择参考，如果系统时钟配置的是200MHz，那么这里的参考时钟可以选择use system clock。

MIG的时序图和管脚

管脚说明

// Application interface ports.app_addr                       (app_addr),   // 写数据地址.app_cmd                        (app_cmd),   // DDR3指令 写：3‘b000;读：3’b001;.app_en                         (app_en),   // 指令写使能.app_wdf_data                   (app_wdf_data),   // 写数据.app_wdf_end                    (app_wdf_end),   // 写数据结束标志.app_wdf_wren                   (app_wdf_wren),   // 写数据使能.app_rd_data                    (app_rd_data),   // 读数据.app_rd_data_end                (app_rd_data_end),  // 读数据结束标志.app_rd_data_valid              (app_rd_data_valid),// 读数据有效标志.app_rdy                        (app_rdy),   // 指令准备信号.app_wdf_rdy                    (app_wdf_rdy),   // 写数据准备信号

对于用户层，只需要知道如何去控制DDR3怎么读写数据，只需要控制以上信号即可。

写指令和写数据时序图

从上图可知，只有当app_rdy为高的时候，app_cmd、app_addr以及app_en才有效。

由上图可知，当写指令有效的时候，写数据可以有三种模式给出：

1：第一种是对齐模式，也是大家常用的模式

2：第二种是提前写指令一个周期写入数据

3：第三种是当写指令给出以后，延迟2个周期给出数据

但是在实际情况中我们需要考虑信号app_rdy和app_wdf_rdy的有效性，所以采用以上模式有点儿困难，再次前提下我们需要知道一个事情，那就是写指令和写数据其实是相互独立的，其实就是写数据是写在一个FIFO中，当给出一个写指令，就会从fifo中读出一个数据给DDR3,所以在实际设计中，可以先考虑将写数据先写入，在等待app_rdy为高的时候给出写指令。如下图所示：

其实虽然app_rdy为低，但是这个时候可以先将数据100写进去，等待app_rdy拉高之后就将地址写进去，这个时候写的数据也是有效的。

读数据时序图

其实读数据时序很简单，MIG和会将数据的有效标志和数据从IP中输出出来，只需要提前给出读数据的地址就行。

如上图所示，提前给出读数据指令和数据地址，等待一个不固定的时钟周期，IP核就可以出来数据和数据有效标志。

5、程序设计

本次主要是验证读写DDR3,最后做仿真

状态图

写数据部分的主要代码

WRITE_1:beginapp_cmd             <=  3'b000;app_en              <=  1;app_addr          <=  wr_addr_cnt;wr_addr_cnt         <=  wr_addr_cnt + 8;app_wdf_wren       <=  1;app_wdf_end           <=  1;app_wdf_data      <=  100;DDR3_STATE          <=  WRITE_2;wr_ddr3_cnt         <=  wr_ddr3_cnt + 1;
end
WRITE_2:beginif(app_rdy && app_wdf_rdy)beginif(wr_ddr3_cnt  >=  WRITE_SIZE)beginwr_ddr3_cnt         <=  16'b0;app_addr         <=  wr_addr_cnt;wr_addr_cnt         <=  wr_addr_cnt + 8;app_wdf_wren       <=  0;app_wdf_end           <=  0;app_en                <=  0;app_wdf_data      <=  app_wdf_data + 1;DDR3_STATE            <=  NOP;end else beginapp_addr          <=  wr_addr_cnt;wr_addr_cnt         <=  wr_addr_cnt + 8;app_en                 <=  1;app_wdf_wren      <=  1;app_wdf_end           <=  1;app_wdf_data      <=  app_wdf_data + 1;wr_ddr3_cnt           <=  wr_ddr3_cnt + 1;DDR3_STATE         <=  WRITE_2;    endend else if(app_rdy == 1 && app_wdf_rdy ==0)beginapp_en                  <=  0;end else if(app_rdy == 0 && app_wdf_rdy == 1) beginapp_wdf_wren           <=  0;app_wdf_end               <=  0;end
end

读书主要部分代码

READ:    beginapp_cmd                <=  3'b001;app_en              <=  1;app_addr          <=  rd_addr_cnt;rd_addr_cnt         <=  rd_addr_cnt + 8;DDR_RD_CNT         <=  DDR_RD_CNT  + 1;DDR3_STATE         <=  READ_0;
endREAD_0: beginif(app_rdy == 1) beginif(DDR_RD_CNT >= WRITE_SIZE)beginDDR_RD_CNT         <=  16'b0;app_en               <=  0;DDR3_STATE            <=  NOP_0;endelse beginapp_addr         <=  rd_addr_cnt;rd_addr_cnt         <=  rd_addr_cnt + 8;DDR_RD_CNT         <=  DDR_RD_CNT  + 1;endendend

仿真模型

图中的DDR3的例子模块是在DDR3中的仿真模块中复制过即可使用，具体模块位置和名字如下：

首先是打开DDR3中的例子工程，找到其中的仿真文件，打开其子目录找到如下模块：

具体的例化模型如下图，双击顶层的模块sim_tb_top，找到下图中的位置

本次工程例化的是16bit的DDR3，可以参照如下进行例化

 ddr3_model u_comp_ddr3(.rst_n   (ddr3_reset_n),.ck      (ddr3_ck_p),.ck_n    (ddr3_ck_n),.cke     (ddr3_cke),.cs_n    (ddr3_cs_n),.ras_n   (ddr3_ras_n),.cas_n   (ddr3_cas_n),.we_n    (ddr3_we_n),.dm_tdqs (ddr3_dm),.ba      (ddr3_ba),.addr    (ddr3_addr),.dq      (ddr3_dq),.dqs     (ddr3_dqs_p),.dqs_n   (ddr3_dqs_n),.tdqs_n  (),.odt     (ddr3_odt));

多位宽的可以查找其它博主进行设计。

5、仿真结果查看

上图是写数据的时序，可以看到我们往地址0里面写的数据是100，地址8里面写的是101

我们查看读数据部分，

查看上图我们给出了读数据的指令，地址从0开始加；

从上图中可以看到读出的第一个数据是100，后面依次验证正确。

6、设计心得

因为这是我第一次写的博客，有很多问题，如果有误，还望指正。DDR3使我们开发设计中经常用到的，所以学会使用它，对我们的帮助很大，前期我也查看了其它博主使用的对齐模式，我自己也测试过，不知道为什么最后仿真总是读不出数据，最后才使用这种模式，大家只需要知道，写指令和写数据其实是两个分开的，没有多大关系，可以先写数据在给指令。这个大概就分享到这里。本篇设计是参考https://blog.csdn.net/m0_52840978/article/details/121304187这个博主的DDR3设计。说的很详细很透彻。